一種多路輸出的高效率開關(guān)電源設(shè)計(jì)

李文豪，杜培德，尹 華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第24研究所，重慶 400060）

1 引言

電力電子技術(shù)在理論上的不斷完善，以及在工程技術(shù)領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新，催生出了種類繁多的開關(guān)型DC/DC變換器。當(dāng)前，根據(jù)是否采用變壓器進(jìn)行功率傳遞，通?？蓪⑵浯笾路譃楦綦x型和非隔離型兩類。其中非隔離型DC/DC變換器因不受變壓器和光耦等隔離器件的限制，故在產(chǎn)品體積和效率上較之隔離型都有較大優(yōu)勢(shì)。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)整體規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，若對(duì)變換器的隔離沒有特別要求，可選用非隔離型DC/DC變換器，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)的設(shè)定更具有優(yōu)勢(shì)[5]。

2 指標(biāo)要求

本設(shè)計(jì)所要求的DC/DC變換器的性能指標(biāo)如下：

輸入電壓范圍：28±2 V；

輸出電壓：8.5±0.2 V，-0.8±0.2 V；

輸出電流：≤3 A（@8.5±0.2 V），≤50 mA（@-0.8±0.2 V）；

輸出紋波電壓：≤200 mV；

上電啟動(dòng)時(shí)序：先負(fù)后正；

（3）MOS管的柵極與控制芯片（或驅(qū)動(dòng)器）的控制輸出端的連接要盡量短，或者在兩者間串聯(lián)一個(gè)小電阻，且靠近MOS管柵極，以阻尼走線電感和MOS結(jié)電容引起的振蕩。另外，PMOS管柵極存在寄生電容，在上電的極短時(shí)間內(nèi)GS極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓差，可能導(dǎo)致開關(guān)PMOS管誤導(dǎo)通。可在PMOS管的GS間接入電阻，在電平到來(lái)時(shí)該電阻可快速地平衡兩極間的電位，如圖4所示。

該項(xiàng)目渣鎖斗閥的液壓系統(tǒng)采用“一拖六”的技術(shù)方案，即1套煤氣化的6臺(tái)液動(dòng)渣鎖斗閥共用1臺(tái)油站，該液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

外形尺寸：（單位mm）。

圖1 電路外形尺寸圖

本設(shè)計(jì)的總體電原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3 電路總體方案

該電路是非隔離型的功率轉(zhuǎn)換組件，主電路采用同步整流Buck型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

先由TPS40055PWP控制器來(lái)控制開關(guān)的通斷，通過(guò)對(duì)輸入電壓進(jìn)行斬波處理，形成脈沖能量信號(hào)。根據(jù)傅里葉分析可知，該信號(hào)中富含若干高次諧波分量，不可直接提供后級(jí)電路使用。因此需要再由輸出LC濾波器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行整流濾波，最大限度降低高頻諧波的干擾，以達(dá)到輸出直流電壓的目的。負(fù)反饋回路用于檢測(cè)輸出電壓與電流幅度，通過(guò)檢測(cè)電路產(chǎn)生對(duì)應(yīng)電壓值，與參考電壓進(jìn)行比較，通過(guò)內(nèi)部遲滯比較器來(lái)產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制開關(guān)調(diào)整管的通斷時(shí)間，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓，提供額定輸出電流的目的[2]。與此同時(shí)，選取一路8.5 V輸出作為輸入供給電源模塊MZ14203，輸出負(fù)電源。

圖2 同步整流Buck電路

根據(jù)Buck控制芯片的要求，選用了NMOS電路Si7884DP來(lái)替代傳統(tǒng)Buck拓?fù)渲胁捎玫睦m(xù)流二極管，因MOS管的導(dǎo)通電阻（RDS（on））小，源漏之間的耐壓（VDS）大于輸入電壓的最大值，并且其上升沿和下降沿典型值為10 ns和20 ns也足夠的小，可大幅減小電路功率損耗；而較小的柵極電容（Qg）亦將減小MOS管的驅(qū)動(dòng)所需電流，對(duì)效率和功耗都有很大的改善；使得該電路的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到85%以上，遠(yuǎn)高于普遍只有80%左右效率的其他同類電源產(chǎn)品。

根據(jù)表1比較結(jié)果及工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，填筑料場(chǎng)位于項(xiàng)目區(qū)河道內(nèi)，儲(chǔ)量190.68萬(wàn)m3，距工程區(qū)平均運(yùn)距500m，土石籠袋填筑料各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)滿足質(zhì)量要求。綜合分析選用土石籠袋護(hù)岸形式更適宜。

當(dāng)開關(guān)MOS管導(dǎo)通時(shí)，電容開始充電。在此過(guò)程中，流過(guò)電感內(nèi)的電流會(huì)逐漸增加，電感內(nèi)部?jī)?chǔ)存的磁場(chǎng)能量會(huì)隨之增強(qiáng)；反之，當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電感中的電流減小，電感兩端產(chǎn)生的反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量通過(guò)續(xù)流二極管傳遞給負(fù)載。因此，在整個(gè)Buck電路中電感起到續(xù)流和濾波的作用，電感量可通過(guò)以下公式獲得[1]：

式中，UIN為輸入電壓，UO為輸出電壓，fSW是開關(guān)頻率，ΔI是電感電流峰峰值（約為輸出電流IO的2倍）。電感在作為濾波器件時(shí)，其電感值不宜過(guò)小，否則電感內(nèi)的電流脈動(dòng)將急劇增大，這樣會(huì)增大流過(guò)開關(guān)管的最大電流，使其工作狀態(tài)發(fā)生惡化。

以上指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重難點(diǎn)在于：尺寸較小，多路輸出；正電源輸出電流較大；滿載輸出紋波電壓較低；需要實(shí)現(xiàn)指定的上電/斷電時(shí)序。

圖3 電路工作原理框圖

4 關(guān)鍵技術(shù)及解決方法

4.1 體積規(guī)劃

電路選用單片集成電路為核心器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。與同等功率水平的隔離型開關(guān)電源相比較，作為多路輸出的電源組件，確保了在有限的尺寸內(nèi)完成了極為緊湊的布局布線，極大地提高了產(chǎn)品的適用性。

4.2 布局布線[4]

該產(chǎn)品每一路的紋波均要求小于200 mV。因此，除了在電源的每路輸出端加入LC濾波器或?yàn)V波電容外，還要消除各種走線之間的串?dāng)_。為此，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)特意采取了以下解決措施：

式中，U是充電時(shí)電容輸入電壓，UO是放電前電容穩(wěn)態(tài)電壓，時(shí)間常數(shù)τ=RC，電容充放電時(shí)間為t。由上式可知，電容值越大，t越長(zhǎng)。故在斷電時(shí)，8.5 V幾乎同時(shí)停止輸出，但大容量電容C108可作為一個(gè)等效電源繼續(xù)為后面的電源轉(zhuǎn)換模塊LMZ14203供電以輸出負(fù)電源，直至C108放電完畢。

綜上所述，本設(shè)計(jì)滿足了預(yù)期的上電、斷電時(shí)序要求。

（1）主功率回路路徑中有大電流流過(guò)，主要的功率元器件——開關(guān)MOS管、電感等的選取應(yīng)考慮功耗及能量傳遞效能，并盡可能布局緊湊以減小環(huán)路面積，且需與小信號(hào)控制回路拉開一定的距離進(jìn)行放置，防止電磁干擾。

如果還沿著那條路走下去，恐怕不會(huì)有今天的問題，因?yàn)閷W(xué)生對(duì)老師始終抱有警惕，自己亦是學(xué)校管理者，參加三結(jié)合領(lǐng)導(dǎo)班子。這樣的局面足以叫人產(chǎn)生高度自信。記得1969年，九大召開前夕，有個(gè)做法，請(qǐng)全民參與修改黨章，連我這樣的中學(xué)生，也響應(yīng)號(hào)召寫過(guò)一稿“黨章”，當(dāng)然純粹是湊熱鬧，誰(shuí)會(huì)聽你的意見呢？也不可能有什么成熟與值得聽取的想法。

斷電停止時(shí)序：先正后負(fù)；

圖4 PMOS管GS間接電阻圖

（4）工藝上采用四層板，頂層為主功率回路及控制器信號(hào)回路；第三層是驅(qū)動(dòng)信號(hào)和少量電源線及小信號(hào)走線；第二層和底層為全銅的鋪地，以進(jìn)一步屏蔽各回路間的串?dāng)_。

（2）各種大功率走線、控制信號(hào)線、驅(qū)動(dòng)信號(hào)線等相互間不要長(zhǎng)距離平行分布，以此來(lái)規(guī)避信號(hào)間的串?dāng)_。

通過(guò)以上措施，開關(guān)電源中常規(guī)的EMI問題均得到了妥善的處理，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中電路自身工作正常，并且也未對(duì)周圍其他電子部件產(chǎn)生干擾等不良影響。

4.3 電源完整性設(shè)計(jì)[3]

在電路的設(shè)計(jì)中，輸入濾波電容的選擇和放置非常重要。首先，濾波電容要選用具有較小等效串連電阻ESR和等效串聯(lián)電感ESL的高頻陶瓷電容；其次，該濾波電容兩端到控制器供電端的連線要盡量短。通常輸入電容必須緊靠控制器的輸入電源引腳，為高頻瞬態(tài)電流提供低感抗的回流路徑，有效抑制脈動(dòng)噪聲，減小電壓波動(dòng)。

4.4 時(shí)序電路設(shè)計(jì)

該變換器還具有如下特別功能：上電啟動(dòng)時(shí)序先負(fù)后正；斷電停止時(shí)序先正后負(fù)。時(shí)序控制電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 上電時(shí)序控制電路圖

圖5中，當(dāng)負(fù)電源到來(lái)后，V4基極電壓為負(fù)，晶體管截止，8.5 V電源開始給電容C1充電；因二極管D18和穩(wěn)壓管D4的存在，C1會(huì)持續(xù)充電至大于5.1 V，即開始供電到MOS管V6的G極使其導(dǎo)通。此時(shí)，V5的S極與地同電位，TTL2通過(guò)高低電平就能夠控制V5的導(dǎo)通、截止?fàn)顟B(tài)，其D極就相應(yīng)為低、高電平，對(duì)應(yīng)即控制8.5 V輸出與否。由線路結(jié)構(gòu)可以看出，若-2 V沒有到來(lái)，V5的S極會(huì)一直處于懸空狀態(tài)，此時(shí)無(wú)論TTL2電平如何變化，MOS管都不受控。

圖6 斷電時(shí)序控制電路圖

再如圖6所示，當(dāng)8.5 V正常輸出時(shí)，經(jīng)過(guò)肖特基二極管D5后給大電容C108充電。電容充放電的計(jì)算公式分別為：

貿(mào)易結(jié)合度指數(shù)。又稱貿(mào)易強(qiáng)度指數(shù)，首先由經(jīng)濟(jì)學(xué)家布朗（A.J.Brown）于1947年提出，后經(jīng)小島清等人1959年完善推廣，用來(lái)衡量貿(mào)易伙伴之間的貿(mào)易相互依存度。計(jì)算公式如下：

被國(guó)人稱之為“東方猶太人”的溫州商人，以白手起家、艱苦奮斗的創(chuàng)業(yè)精神；不等不靠、依靠自己的自主精神；闖蕩天下、四海為家的開拓精神，開創(chuàng)出了自己的一片天地。坐在我們面前的浙江勁豹機(jī)械有限公司掌門人方新通，正是這樣一位具有創(chuàng)業(yè)精神、自主精神和開拓精神的溫州商人——他外表斯文儒雅，骨子里卻有著溫州人敢想敢拼的精神。從1995年的下崗職工到如今的企業(yè)掌門人，從企業(yè)開創(chuàng)時(shí)的步履維艱到如今在國(guó)內(nèi)絲網(wǎng)印刷設(shè)備制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，方新通向我們講述了其自己的草根進(jìn)化史，以及勁豹的發(fā)展變革史。在他娓娓道來(lái)的講述中，我們深切地感受到了溫州企業(yè)的魅力之所在。

（4）斷裂強(qiáng)力與伸長(zhǎng)率：GB/T3923.1紡織品織物拉伸性能第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定 （條樣法）。

(2)獨(dú)特的拉緊裝置位置。本膠帶機(jī)采用雙驅(qū)動(dòng)滾筒，由于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒之間的膠帶不是一個(gè)剛性體，而是有一定伸長(zhǎng)量的彈性體。在兩個(gè)滾筒直徑相同條件下，膠帶的伸長(zhǎng)會(huì)使第二個(gè)滾筒轉(zhuǎn)速低于第一個(gè)滾筒、第二個(gè)滾筒出力大于第一個(gè)滾筒，并造成第二個(gè)滾筒磨損加快，導(dǎo)致雙驅(qū)動(dòng)滾筒的功率不平衡。可見膠帶的彈性伸長(zhǎng)是引起雙驅(qū)動(dòng)滾筒電機(jī)功率不平衡的主要因素。

4.5 熱設(shè)計(jì)及熱仿真

為確保產(chǎn)品的可靠性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了無(wú)外殼PCB結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理的版圖布局，使得產(chǎn)品內(nèi)部的熱源分布均勻，避免因局部過(guò)熱而影響可靠性。

由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇最佳培養(yǎng)條件，即接種量為2%，培養(yǎng)溫度37℃，培養(yǎng)時(shí)間72 h。根據(jù)該條件將2%種子液接種到麩皮培養(yǎng)基，于37℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)72 h，每隔幾小時(shí)搖勻1次，培養(yǎng)結(jié)束后取出烘干粉碎，測(cè)酯化力，結(jié)果為33.6 U±0.021 U，比其他培養(yǎng)條件下酯化力都要高，進(jìn)一步驗(yàn)證了正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

計(jì)算主要發(fā)熱單元的功耗值，將其導(dǎo)入仿真軟件Ansoft中，利用內(nèi)部現(xiàn)有的算法求解獲得實(shí)際電路板的3D發(fā)熱模型，如圖7所示。

圖7 熱仿真結(jié)果

從圖7中可以清晰地看到內(nèi)部主要元器件上的熱量分布情況，可見功率MOSFET和儲(chǔ)能濾波電感上的熱量最高，這與理論分析求得的器件功耗情況一致。該仿真在最高工作環(huán)境溫度，底部貼散熱板的情況下進(jìn)行模擬分析，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可增加散熱片、風(fēng)冷等散熱措施，以進(jìn)一步降低溫度。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)以上分析，實(shí)際設(shè)計(jì)了一款實(shí)驗(yàn)電路。圖8、圖9為實(shí)驗(yàn)電路版圖，圖10、圖11為電路實(shí)測(cè)波形。

左右旋轉(zhuǎn)位：患者保持站立位進(jìn)行測(cè)量，骨盆固定防止傾斜。采集以L3椎體為中心的腰椎正位相?；颊邉蛩龠M(jìn)行左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，保持直立時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)中立位，左右旋轉(zhuǎn)的角度在60°左右，受試者雙手平舉以保證腰椎旋轉(zhuǎn)角度為60°。首先保持中立位站立，在10 s內(nèi)勻速的向左側(cè)旋轉(zhuǎn)至60°，然后再勻速地回到中立位。同理，采用相同方法向右旋轉(zhuǎn)并回到中立位。整個(gè)過(guò)程約40 s。在患者左右側(cè)屈的測(cè)試過(guò)程中，保持三維數(shù)字C型臂X線機(jī)與腰椎活動(dòng)的方向與速率一致，并且保證L3椎體始終位于顯示器的中心，以便于更好的采集圖像。

圖8 實(shí)驗(yàn)電路版圖1

圖9 實(shí)驗(yàn)電路版圖2

圖10 輸出紋波電壓

圖11 正負(fù)電源啟動(dòng)時(shí)序

從波形可以看出，滿載時(shí)，輸出紋波電壓峰峰值小于200 mV；上電啟動(dòng)時(shí)序?yàn)橄蓉?fù)后正。實(shí)驗(yàn)電路滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）投喂飼料。春季4、5月份要多投喂一些動(dòng)物性飼料，如小魚或軋碎的螺螄等，一方面是此時(shí)對(duì)小龍蝦要增加營(yíng)養(yǎng)，以利于抱卵繁殖蝦苗，另一方面是有利于河蟹蛻殼生長(zhǎng)。夏季6-8月份高溫季節(jié)以投喂植物性飼料為主，防止中華絨螯蟹攝入過(guò)多的營(yíng)養(yǎng)而提前進(jìn)入性成熟期導(dǎo)致死亡。9月份的后期要多投喂一些動(dòng)物性飼料，讓中華絨螯蟹積累脂肪，這不僅是讓中華絨螯蟹增重，還可使其增重后在食用時(shí)其口味更好。這就是中華絨螯蟹養(yǎng)殖中俗話說(shuō)的掌握“兩頭精、中間青”的原則。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在電路體積有限的情況下，設(shè)計(jì)了一種包含有多路輸出的高效率開關(guān)電源。通過(guò)選用Buck拓?fù)?，采用非隔離結(jié)構(gòu)，并引入同步整流技術(shù)，最大限度地提升了效率；并且通過(guò)優(yōu)化布局走線，使得串?dāng)_、輻射等開關(guān)電源工作中通常存在的電磁干擾問題得以基本消除?；诶碚撚?jì)算功率器件能耗，結(jié)合軟件仿真，設(shè)定了主功率回路參數(shù)。最終對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案和思路的可行性。該DC/DC變換器具有正負(fù)電源輸出、體積小、效率高、重量輕、使用維護(hù)方便、可靠性高等特點(diǎn)，同時(shí)具有輸出路數(shù)多、輸出精度高、穩(wěn)定性好、負(fù)載調(diào)整率高、紋波小、輸入電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，具備重要的實(shí)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。

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[6]倫克.實(shí)用開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2006.15-21; 35-50.